Разработка интерфейса для промышленной сети

1. Основные принципы построения промышленных сетей

1.1 Модель OSI

Поскольку основной функцией сети является соединение между собой различного оборудования, проблема открытости, в частности, стандартизации, для сетей приобретает особое значение. В связи с этим в начале 80-х годов Международной организацией по стандартизации ISO (International Standardization Organization) совместно с рядом других организаций была сформулирована и принята модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection), которая сыграла и играет до сих пор важную роль в развитии сетей.

Полное описание модели OSI занимает более 1000 страниц текста. Это связано с тем, что сетевое взаимодействие устройств является сложной задачей. Для решения таких задач обычно используется декомпозиция сложной задачи на более простые. Декомпозиция выполняется таким образом, чтобы количество и сложность связей, а также поток данных между подзадачами были минимальными. В модели OSI было использовано семь подзадач (уровней), причем декомпозиция выполнена таким образом, что взаимодействие осуществляется только между соседними уровнями.

Такой подход обеспечил возможность решения задачи взаимодействия систем для каждого уровня отдельно, в том числе независимыми группами разработчиков. В частности, для сетевого взаимодействия устройств необходимо согласовать между собой электрические уровни сигналов, задержки и длительности импульсов, типы соединителей, способы кодирования информации, способы обеспечения достоверности передачи, формы и форматы адресации, форматы данных, способы доступа к сети, способы буферизации данных, способы деления их на пакеты и восстановления целостности сообщений.

Таблица 1 — Эталонная модель OSI

Семь уровней модели OSI представлены в таблице 1.

Модель OSI не включает средства взаимодействия между собой приложений, расположенных на разных компьютерах сети, такие как, например, DDE, ОРС или CORBA, а описывает только средства, реализуемые операционной системой, системными утилитами и аппаратурой. Поэтому прикладной уровень нельзя путать с уровнем взаимодействия приложений, который в модель OSI не входит.

Если приложение обращается с запросом к прикладному уровню, то на основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение, состоящее из заголовка и поля данных, и передает его вниз, на уровень представления. Протокол представительного уровня выполняет требуемые действия, содержащиеся в заголовке прикладного уровня, и добавляет к сообщению свою служебную информацию — заголовок представительного уровня, в котором содержатся инструкции для соответствующего уровня получателя сообщения. Сформированное таким образом сообщение с уже двумя заголовками передается вниз сеансовому уровню, который также добавляет к нему свой заголовок. Таким образом, дойдя до физического уровня, сообщение обрастает семью заголовками, после чего оно передается по сети адресату. Когда сообщение достигнет адресата, оно проходит весь стек протоколов в обратном порядке, от физического уровня до прикладного. На каждом уровне выполняются соответствующие функции, содержащиеся в заголовке каждого уровня.

Большинство уровней модели OSI имеют смысл только в сетях с коммутацией пакетов (а не каналов). Тем не менее, отдельные её уровни и термины используются практически во всех сетях. Сеансовый уровень и уровень представления на практике используются редко, а сетевой уровень и канальный практически всегда и сильно перегружены.

2. Интерфейсы управления технологическим оборудованием

2.1 Интерфейсы RS485, RS422, RS232. Принципы построения. Основные параметры

Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI EIA/TIAM85-A и EIA/TIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматике. Его используют промышленные сети Modbus, Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:

а) двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;

б) работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же;

в) линии, т. е. возможность организации сети;

г) большая длина линии связи;

д) достаточно высокая скорость передачи.

Дифференциальная передача сигнала. В основе построения интерфейса RS-485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отчитывается не от «земли», а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data+ и Data — (рисунок 1). При этом напряжение каждой линии относительно «земли» может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон −7…−4−12 В.

Приемники сигнала являются дифференциальными, т. е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data-h и DataПри разности напряжений более 200 мВ, до 4−12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В-логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Рисунок 1 — Соединение трех устройств с интерфейсом RS-485 по двухпроводной схеме Благодаря симметрии линий относительно «земли» в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.

Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по «правилу буравчика» оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.

«Третье» состояние выходов. Второй особенностью передатчика D (D — Driver) интерфейса RS-485 является возможность перевода выходных каскадов в «третье» (высокоомное) состояние сигналом DE (Driver Enable) (рис. 2.1). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам. Если на рисунке 1 передачу выполняет устройство В, а прием — устройство С, то выходы передатчиков, А и В переводятся в высокоомное состояние, т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники, при этом выходное сопротивление передатчиков, А и С не шунтирует линию.

Перевод передатчика интерфейса в третье состояние осуществляется обычно сигналом RTS (Request То Send) СОМ-порта.

Четырехпроводной интерфейс. Интерфейс RS-485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную. Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рисунок 2), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим — в обратном (рисунок 2).

Недостатком четырехпроводной (рисунок 2) схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.

Рисунок 2 — Соединение трех устройств с интерфейсом RS-485 по двухпроводной схеме Если приемник передающего узла включен во время передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется «приемом эха» и обычно устанавливается микропереключателем на плате интерфейса. Прием эха иногда используется в сложных протоколах передачи, но чаще этот режим выключен.

Если порты RS-485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их «земель» могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя выходных каскадов микросхем транси — веров (приемопередатчиков) интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS-485 и землей. При небольшой разности потенциалов «земли» для выравнивания потенциалов, в принципе, можно использовать проводник, однако такой способ на практике не применяется, поскольку практически все коммерческие интерфейсы RS-485 имеют гальваническую изоляцию (см. например, преобразователь NL-232C или повторитель интерфейсов NL-485C фирмы НИЛ АП — www. RealLab.ru).

Защита интерфейса от молнии выполняется с помощью газоразрядных и полупроводниковых устройств защиты.

Если время распространения электромагнитного поля через кабель становится сравнимо с характерными временами передаваемых сигналов, то кабель нужно рассматривать как длинную линию с распределенными параметрами. Скорость распространения электромагнитного поля в нем составляет 60…75% от скорости света в вакууме и зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости диэлектрика кабеля, сопротивления проводника и его конструктивных особенностей. При скорости света в вакууме 300 000 км/с для кабеля длиной 1000 м можно получить скорость распространения электромагнитной волны в кабеле 200…225 км/с и время распространения 5,6 мкс.

Электромагнитная волна, достигая конца кабеля, отражается от него и возвращается к источнику сигнала, отражается от источника и опять проходит к концу кабеля. Вследствие потерь на нагрев проводника и диэлектрика амплитуда волны в конце кабеля всегда меньше, чем в начале. Для типовых кабелей можно считать, что только первые три цикла прохождения волны существенно влияют на форму передаваемого сигнала. Это дает общую длительность паразитных колебаний на фронтах передаваемых импульсов, связанных с отражениями, около 33,6 мкс при длине кабеля 1 км. Поскольку в приемном узле универсальный трансивер (Universal Asynchronous Receive Transmit — UART) определяет логическое состояние линии в центре импульса, то минимальная длительность импульса, который еще можно распознать с помощью UART, составляет 33,6×2 = 67,2 мкс. Поскольку при NRZ кодировании минимальная длительность импульса позволяет закодировать 1 бит информации, то получим максимальную скорость передачи информации, которую еще можно принять несмотря на наличие отражений, равную 1/67,2 мкс = 14,9 кбит/с. Учитывая, что реально условия передачи всегда хуже расчетных, стандартную скорость передачи 9600 бит/с приближенно можно считать границей, на которой еще можно передать сигнал на расстояние 1000 м несмотря на наличие отражений от концов линии.

Рассмотренная ситуация ухудшается с ростом рассогласования между частотой синхронизации передатчика и приемника, вследствие которой момент считывания сигнала оказывается смещенным относительно центра импульса. Следует также учитывать, что на практике не все устройства с интерфейсом RS-485 используют стандартный UART, считывающий значение логического состояния посредине импульса.

Таблица 2 — Параметры интерфейса RS-485, установленные стандартом

При большей скорости передачи, например 115 200 бит/с, ширина передаваемых импульсов составляет 4,3 мкс, и их невозможно отличить от импульсов, вызванных отражениями от концов линии. Используя вышеприведенные рассуждения, можно получить, что при скорости передачи 115 200 бит/с максимальная длина кабеля, при которой еще можно не учитывать отражения от концов линии, составляет 60 м.

Для устранения отражений линия должна быть нагружена на сопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля:

(1)

где R_о, L_o, G_o, С_о — погонные сопротивление, индуктивность, проводимость и емкость кабеля соответственно, j? — комплексная круговая частота.

Как следует из этой формулы, в кабеле без потерь волновое сопротивление не зависит от частоты, при этом прямоугольный импульс распространяется по линии без искажений. В линии с потерями фронт импульса «расплывается» по мере увеличения расстояния импульса от начала кабеля.

Отношение амплитуды напряжения отраженного синусоидального сигнала (отраженной волны) от конца линии к амплитуде сигнала, пришедшего к концу линии (падающей волны) называется коэффициентом отражения по напряжению [2], который зависит от степени согласованности волновых сопротивлений линии и нагрузки:

(2)

где R_Н — сопротивление согласующего резистора на конце или в начале линии (кабеля).

Случай Rн = Z₀ соответствует идеальному согласованию линии, при котором отражения отсутствуют (К_u = 0).

Для согласования линии используют терминальные (концевые) резисторы. Величину резистора выбирают в зависимости от волнового сопротивления используемого кабеля. Для систем промышленной автоматики используются кабели с волновым сопротивлением от 100 до 150 Ом, однако кабели, спроектированные специально для интерфейса RS-485, имеют волновое сопротивление 120 Ом. На такое же сопротивление обычно рассчитаны микросхемы трансиверов интерфейса RS 485. Поэтому сопротивление терминального резистора выбирается равным 120 Ом, мощность 0,25 Вт.

Резисторы ставят на двух противоположных концах кабеля. Распространенной ошибкой является установка резистора на входе каждого приемника, подключенного к линии, или на конце каждого отвода от линии, что перегружает стандартный передатчик. Дело в том, что два терминальных резистора в сумме дают 60 Ом и потребляют ток 25 мА при напряжении на выходе передатчика 1,5 В; кроме этого, 32 приемника со стандартным входным током 1 мА потребляют от линии 32 мА, при этом общее потребление тока от передатчика составляет 57 мА. Обычно это значение близко к максимально допустимому току нагрузки стандартного передатчика RS 485. Поэтому нагрузка передатчика дополнительными резисторами может привести к его отключению средствами встроенной автоматической защиты от перегрузки.

Второй причиной, которая запрещает использование резистора в любом месте, кроме концов линии, является отражение сигнала от места расположения резистора.

При расчете сопротивления согласующего резистора нужно учитывать общее сопротивление всех нагрузок на конце линии. Например, если к концу линии подключен шкаф комплектной автоматики, в котором расположены 30 модулей с портом RS-485, каждый из которых имеет входное сопротивление 12 кОм, то общее сопротивление всех модулей будет равно 12 кОм/ЗО = 400 Ом. Поэтому для получения сопротивления нагрузки линии 120 Ом сопротивление терминального резистора должно быть равно 171 Ом.

Отметим недостаток применения согласующих резисторов. При длине кабеля 1 км его омическое сопротивление (для типового стандартного кабеля) составит 97 Ом. При наличии согласующего резистора 120 Ом образуется резистивный делитель, который примерно в 2 раза ослабляет сигнал, и ухудшает отношение сигнал/шум на входе приемника. Поэтому при низких скоростях передачи (менее 9600 бит/с) и большом уровне помех терминальный резистор не улучшает, а ухудшает надежность передачи.

В промышленных преобразователях интерфейса RS-232 в RS-485 согласующие резисторы обычно уже установлены внутри изделия и могут отключаться микропереключателем (джампером). Поэтому перед применением таких устройств необходимо проверить, в какой позиции находится переключатель Интерфейс RS-422 используется гораздо реже, чем RS-485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии (до 1200 м), поскольку интерфейс RS-232 работоспособен только на расстоянии до 15 м. Каждый передатчик RS-422 может быть нагружен на 10 приемников. Интерфейс работоспособен при напряжении до ±7 В.

Таблица 3 — Сравнение интерфейсов RS 232, RS-422 и RS-485

2.2 Интерфейс «токовая петля»

Интерфейс «токовая петля» используется для передачи информации с 1950;х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА [3]; позже, с 1962 г., получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980;х годах начала широко применяться «токовая петля» 4…20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность «токовой петли» начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.), и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется.

В передатчике «токовой петли» используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в «токовой петле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля Rкаб, сопротивления нагрузки Rн и э.д.с. индуктивной помехи Е (рисунок 3), а также от напряжения питания источника тока Еп. Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка Е, э.д.с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в «токовой петле», и для ее подавления следует использовать экранирование.

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

Рисунок 3 — Принцип действий «Токовой петли»

Рисунок 4 — Два варианта построения аналоговой «Токовой петли»: со встроенным в передатчик (а) и выносным (б) источником питания На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления R_H. При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5, 5 или 10 В используют резистор сопротивлением 125, 250 или 500 Ом соответственно.

Основным недостатком «токовой петли» является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля Скаб от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рисунке 5 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался так же, как и для интерфейса RS-485.

Рисунок 5 — Зависимость максимальной скорости передачи «токовой петли» от длины неэкранированной витой пары 22 AWG при токе петли 20 мА Вторым недостатком «токовой петли», ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0…20 и 4…20 мА; гораздо реже используют 0…60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4…20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.

Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.

Аналоговая «токовая петля». Аналоговая версия «токовой петли» используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение «токовой петли» в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность «токовой петли» может быть снижена до ±0,05%). Кроме того, стандарт «токовая петля» поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

В варианте «4…20 мА» в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта «0…20 мА», где величина 0 мА может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

На рисунке 4 показаны два варианта построения аналоговой «токовой петли». В варианте, а используется встроенный незаземленный источник питания Еп в варианте б источник питания — внешний. Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний удобен тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зависимости от поставленной задачи.

Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор Rо равен Кх/Rо, а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, ток через резистор строго равен току в петле (I = U_BX/Ro) и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки.

Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала.

Напряжение источника Е_п выбирается таким, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика в активном (ненасыщенном) режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях Rо, Rн. Для этого выбирают Е > I· (Rо + Rкаб + Rн) + Uнас> где Uнас — напряжение насыщения транзистора (1…2 В). Например, при типовых значениях Rо = Rн = 500 Ом и сопротивлении кабеля 100 Ом (при длине 1 км) получим напряжение источника питания петли 22 В; ближайшее стандартное значение равно 24 В.

В схемах на рисунке 4 используется гальваническая развязка между входом передатчика и передающим каскадом. Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником.

Примером передатчика для аналоговой токовой петли является модуль NL-4AO (www. RealLab.ru), имеющий четыре канала вывода аналоговых сигналов, гальваническую развязку и предназначенный для вывода из компьютера и передачи на исполнительные устройства тока в стандарте 0…20 или 4…20 мА. Модуль содержит микроконтроллер, который осуществляет связь с компьютером по интерфейсу RS — 485, исполняет команды компьютера и выполняет компенсацию погрешностей преобразования с помощью коэффициентов, полученных при калибровке источников тока и хранимых в запоминающем устройстве ЭППЗУ (электрически программируемое постоянное запоминающее устройство). Преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал выполняется с помощью 4-канального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Для расширения функциональных возможностей модуль имеет также выходы напряжения (которые не имеют отношения к рассматриваемой теме).

Цифровая «токовая петля» используется обычно в версии «0…20 мА», поскольку она реализуется гораздо проще, чем в версии «4…20 мА». Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 2.13 при стандартном значении напряжения питания Е_п = 24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0,35 мм² и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% общего сопротивления петли, и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3% напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Как аналоговая, так и цифровая «токовая петля» могут использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно. Вследствие низкой скорости передачи информации по «токовой петле» согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется.

«Токовая петля» нашла свое «второе рождение» в протоколе HART.

3. Протоколы обмена информацией

промышленный сеть токовый интерфейс

3.1 HART протокол

HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer — магистральный адресуемый удаленный преобразователь) является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи, поэтому устоявшийся термин «протокол», означающий алгоритм взаимодействия устройств, применен здесь не совсем корректно. Стандарт HART был разработан в 1980 г. фирмой Rosemount Inc., которая позже сделала его открытым. В настоящее время стандарт поддерживается международной организацией HART Communication Foundation (HCF), насчитывающей 190 членов (на декабрь 2006 г.). HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием.

Несмотря на свое низкое быстродействие (1200 бит/с) и ненадежный аналоговый способ передачи данных, а также появление более совершенных сетевых технологий, устройства с HART-протоколом разрабатываются до сих пор, и объем этого сегмента рынка продолжает расти. Однако применение HART в России довольно ограничено, поскольку внедрение датчиков с HART — протоколом требует одновременного применения HART-совместимых контроллеров и специализированного программного обеспечения. Типовой областью применение HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, датчики потока жидкости, радарные уровнемеры ит. п), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность HART — сигнала позволяет легко удовлетворить требованиям стандартов на искробезопасные электрические цепи.

Стандарт HART включает в себя 1-й, 2-й и 7-й уровни модели OSI (таблица 4). Полное описание стандарта можно купить в организации HCF (www.hartcomm.org).

Таблица 4-Модель OSI HART-протокола

Принципы построения. При создании HART-протокола в 1980 г. преследовалась цель сделать его совместимым с широко распространенным в то время стандартом «токовая петля», но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами. Поэтому аналоговая «токовая петля» 4…20 мА была модернизирована таким образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого аналоговый сигнал суммируется с цифровым сигналом (рис. 2.15) и полученная таким образом сумма передается с помощью источника тока 4…20 мА по линии связи. Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0…10 Гц) и цифрового (1200 и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приемом устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль — 2200 Гц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой. Выбор частот соответствует американскому стандарту BELL 202 на телефонные каналы связи.

3.2 Интерфейсы CAN. Profibus. Modbus, промышленный Ethernet. Протокол DCON

CAN (Controller Area Network — область, охваченная сетью контроллеров) представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. Первоначально CAN был разработав для автомобильной промышленности, но в настоящее время быстро внедряется в область промышленной автоматизации. Это хорошо продуманный, современный и многообещающий сетевой протокол. Начало развития CAN было положено компанией Bosch в 1983 г., первые микросхемы CAN-контроллеров были выпущены фирмами Intel и Philips в 1987 г., в настоящее время контроллеры и трансиверы CAN выпускаются многими фирмами, в том числе Analog Devices Inc., Atmel Corp. Cast, Dallas Semiconductor, Freescale, Infineon, Inicore Inc., Intel, Linear Technology, Maxim Integrated Products, Melexis, Microchip, National Semiconductor, NXP, OKI, Renesas Technology Corp., STMicroelectronics, Yamar Electronics, Texas Instruments.

В России интерес к CAN за последние годы сильно возрос, однако контроллерного оборудования для CAN в России крайне мало, в десятки или сотни раз меньше, чем для Modbus или Profibus. Среди протоколов прикладного уровня для работы с CAN наибольшее распространение в России получили CANopen и DeviceNet.

В настоящее время CAN поддерживается 11 стандартами ISO, в том числе рассмотренными в [3−5].

Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess Field BUS, что приблизительно переводится как «промышленная шина для технологических процессов». Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 г., в 1996 г. он стал международным (EN 50 170 и EN 50 254).

Таблица 5 — Profibus в соответствии с моделью OSI

Сеть Profibus (как и другие описанные здесь промышленные сети, кроме Industrial Ethernet) использует только первый и второй уровни модели OSI (табл. 5). Один из вариантов сети, Profibus FMS, использует также уровень 7.

Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA.

Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals — Profibus для децентрализованной периферии) использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper — прямой преобразователь для канального уровня). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и РА построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.

Profibus FMS (Profibus с FMS-протоколом) использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при передаче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности.

Profibus FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485, и могут работать в общей сети.

Протокол Modbus и сеть Modbus [5−6] являются самыми распространенными в мире. Несмотря на свой возраст (стандартом де-факто Modbus стал еще в 1979 г.), Modbus не только не устарел, но, наоборот, существенно возросло количество новых разработок и объем организационной поддержки этого протокола. Миллионы Modbus-устройств по всему миру продолжают успешно работать, а последняя версия описания протокола появилась в декабре 2006 г.

Преимуществами Modbus являются отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота программной реализации и элегантность принципов функционирования. Все это снижает затраты на освоение стандарта как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов, которые можно скачать с сайта www.modbus.org.

В России Modbus по распространенности конкурирует только с Profibus. Популярность протокола в настоящее время объясняется, прежде всего, совместимостью с большим количеством оборудования, которое имеет протокол Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения-записи.

Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу «ведущий / ведомый», что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.

Разновидностями Modbus являются протоколы Modbus Plus — мно — гомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP [5], рассчитанный на использование в сетях Ethernet и Интернет.

Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit — удаленное терминальное устройство) и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.

Мы рассмотрим только протокол Modbus RTU, поскольку Modbus ASCII в России практически не используется. Отметим, что Modbus ASCII нельзя путать с частно-фирменным протоколом DC0N, который используется в модулях фирм Advantech и ICP DAS и не соответствует стандарту Modbus.

Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS-422 или RS-232. Наиболее распространенным для организации промышленной сети является 2-проводной интерфейс RS-485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS-232 или RS-422.

Таблица 6 — Модель OSI для Modbus

В стандарте Modbus имеются обязательные требования, рекомендуемые и опционные (необязательные). Существует три степени соответствия стандарту: «полностью соответствует» — когда протокол соответствует всем обязательным и всем рекомендуемым требованиям, «условно соответствует» — когда протокол соответствует только обязательным требованиям и не соответствует рекомендуемым, и «не соответствует».

Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной (табл. 6).

Ethernet появился более 30 лет назад. В настоящее время под Ethernet понимают семейство продуктов для локальных сетей, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3. Промышленному применению стандарта долгое время мешал метод случайного доступа к сети, не гарантировавший доставку сообщения в короткое и заранее известное время. Однако это проблема была решена применением коммутаторов (см. ниже). Доля Ethernet среди установленных промышленных сетей в 2000 году составляла 11%, в 2005 г. — уже 23%. В настоящее время (с 2004 по 2008 годы) рынок промышленного Ethernet растет со скоростью 51% в год [6], он стал промышленным стандартом, и имеется большой выбор оборудования, удовлетворяющего промышленным требованиям. Недостатком промышленного Ethernet является относительно высокая цена: Ethernet модули ввода-вывода в среднем в 2 раза дороже аналогичных Modbus-устройств.

Внедрению Ethernet в промышленность способствовали следующие его качества:

а) высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии (например, при управлении движением);

б) простота интеграции с Интернетом и интранетом, в том числе по протоколам прикладного уровня SNMP (Simple Network Management Protocol), FTP, MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions), HTTP;

в) простота интеграции с офисными сетями;

г) наличие большого числа специалистов по обслуживанию Ethernet;

д) по-настоящему открытые решения;

е) возможность организации многомастерных сетей;

ж) неограниченные возможности по организации сетей самых разнообразных топологий;

з) широкое применение в офисных сетях, что обеспечило экономическую эффективность технической поддержки стандарта со стороны международных организаций по стандартизации;

и) появление недорогих коммутаторов, решивших проблему недетерминированности Ethernet.

Продвижением и технической поддержкой промышленного Ethernet занимается ассоциация Industrial Ethernet Association (IEA, www. industrialether — net.com), которая была организована в 1999 г. по инициативе шести компаний (Synergetic Micro Systems, Grayhill, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls и Richard Hirschmann).

Существуют четыре стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 и 100 Мбит/с, 1 и 10 Гбит/с. Ethernet имеет несколько модификаций, структура наименований которых имеет следующий вид: <�скорость передачи>ВА8Е<�дополнительные обозначениям Скорость указывается цифрой в Мбит/с или в Гбит/с, в последнем случае к цифре добавляется буква G. Буквы после «BASE» означают тип кабеля: Т (Twisted pair) — витая пара, F (Fiber optic) — оптоволоконный, S (Short wavelength optic) — оптический коротковолновый, L (Long wavelength) — длинноволновый, С (short Copper cable) — короткий медный кабель. Символ «X» означает наличие блока кодирования на физическом уровне. В тексте стандарта IEEE 802.3−2005 приводится 44 варианта таких обозначений. Например, 10BASE-T означает спецификацию физического уровня для скорости 10 Мбит/с с методом доступа CSMA/CD и с использованием двух витых пар проводов; 100BASE-FX — для скорости 100 Мбит/с, CSMA/CD с применением двух многомодовых оптических кабелей.

В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили стандарты 10BASE-T и 100BASE-TX, а также 100BASE-FX, которые и будут рассмотрены ниже.

В табл. 7 приведена типовая модель OSI для локальной сети LAN, в которой Ethernet как стандарт IEEE 802.3 охватывает только физический и канальный уровень. На других уровнях в табл. 7 в качестве примера представлены протоколы Интернета. Здесь LLC (Logical Link Control — управление логическими связями) — клиент подуровня MAC; MAC (Medium Access Control) — подуровень управления доступом к линии передачи; PHY (PHYsical) — физический уровень (линия передачи).

Уровни 1 и 2 Ethernet-протокола обычно воплощаются аппаратно, остальные — программно.

Таблица 7-Уровни модели OSI для сети Ethernet

Протокол DCON (www.icpdas.com) не относится к стандартным, однако очень широко распространен в России благодаря популярности модулей ввода — вывода RealLab! серии NL фирмы НИЛ АП и усилиям фирм, продвигающих на российский рынок изделия тайваньских производителей ICP DAS и Advantech.

Этот протокол использует только физический и прикладной уровень модели OSI. На физическом уровне используется прямое двоичное кодирование, когда логический ноль представлен низким уровнем напряжения в шине RS — 485, логическая единица — высоким уровнем. Требования к среде передачи (витая пара) определяются стандартом на интерфейс RS-485.

Широкая популярность протокола DCON обусловлена отсутствием необходимости в специализированных микросхемах для реализации стека протоколов, что существенно снижает себестоимость устройств, а следовательно, цену для конечного потребителя. С другой стороны, у системного интегратора уменьшаются затраты на обучение, поскольку применение протокола предельно простое.

Протокол DCON используется в архитектуре «ведущий-ведомый». В сети может быть 255 ведомых устройств, но только одно ведущее, что в принципе исключает возможность конфликтов.

Для увеличения надежности передачи информации на физическом уровне используется простейший способ — вычисление контрольной суммы. Канального уровня в протоколе нет и поэтому ошибки передачи могут быть выявлены только на прикладном уровне, непосредственно граничащем с программой пользователя.

Кадры протокола DCON имеют структуру, показанную на рисунке 6. Каждый кадр начинается с разделителя, в качестве которого могут быть использованы знаки: $, #, %, *, в ответах ведомого устройства используются символы!,?, >.

Рисунок 6 — Формат кадра протокола DCON

За некоторыми командами следуют данные, но их может и не быть. Контрольная сумма, состоящая из двух символов, может отсутствовать. Каждый кадр должен оканчиваться символом возврата каретки «Вк» (ASCII код ODh).

Контрольная сумма (СНК) состоит из двух символов (в нее не включается код символа возврата каретки) и позволяет обнаружить ошибки в командах, посланных из ведущего устройства, а также в ответах ведомого.

Вся информация, содержащаяся в кадре, включая адрес модуля и данные, передается в ASCII-кодах.

Контрольная сумма представляется двумя ASCII-символами шестнадцатеричного формата и передается непосредственно перед «возвратом каретки» (Вк). Она должна быть равна сумме кодовых значений всех ASCII символов команды и быть представлена в шестнадцатеричной системе счисления. Если сумма больше FFh, то в качестве контрольной суммы используется только ее младший байт.

Например, если нужно переслать ведомому устройству команду $ 012 (Вк), то сумма ASCII кодов символов команды (символ возврата каретки не считается) равна «$» + «О» + «1» + «2» = 24h + 30h + 31h + 32h = B7h, контрольная сумма равна B7h, т. е. перед символом (сг) в команде надо указать В7, и команда $ 012 (Вк) будет выглядеть как $ 012В7 (Вк).

Таблица 8 — Примеры команд протокола DCON

4. Беспроводные локальные сети

Существует много объектов автоматизации, где сложно обойтись без беспроводных сетей или где их применение явно желательно:

a) датчики и исполнительные устройства на подвижных частях конвейеров, ветряных мельниц, лифтов, миксеров, тележек для перемещения грузов по цеху, на крыльях и лопастях самолетов, на подшипниках двигателей, на роботах, в передвижных лабораториях, датчики на теле человека и животных; датчики вибрации на контейнерах для перевозки грузов;

б) объекты, в которых нежелательно сверлить стены или портить дизайн: офисные здания, в которых устанавливается пожарная и охранная сигнализация, датчики для систем обогрева и кондиционирования воздуха, для мониторинга механических напряжений в конструкциях зданий; в системах «умного дома» (управление освещением, кондиционированием-обогревом, охранными датчиками, бытовыми приборами и др.);

в) эпизодическое программирование и диагностика ПЛК, когда прокладывать постоянные кабели не выгодно; дистанционное считывание показаний счетчиков, самописцев;

г) объекты с агрессивными средами, вибрацией; объекты, находящиеся под высоким напряжением или в местах, не удобных для прокладки кабеля;

д) отслеживание траектории движения транспорта, охрана границ государства, мониторинг напряженности автомобильного трафика в городах и условий на дорогах, мониторинг леса, моря, сельскохозяйственных культур, мониторинг вредных выбросов в экологии;

е) любые объекты, для которых известно, что стоимость кабелей, кабельных каналов, опор или траншей, а также работ по монтажу и обслуживанию существенно превышает стоимость заменяющей беспроводной системы, при условии отсутствия жестких требований к надежности доставки сообщений в реальном времени;

ж) объекты во взрывоопасных зонах.

В большинстве применений беспроводные сети позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с проводными сетями [7]:

а) существенно снизить стоимость установки датчиков;

б) исключить необходимость профилактического обслуживания кабелей;

в) исключить дорогостоящие места разветвлений кабеля;

г) уменьшить количество кабелей;

д) уменьшить трудозатраты и время на монтаж и обслуживание системы;

е) снизить стоимость системы за счет исключения кабелей;

ж) снизить требования к обучению персонала монтажной организации;

з) ускорить отладку системы и поиск неисправностей;

и) обеспечить удобную модернизацию системы.

к) Поскольку реконфигурация системы и ее монтаж становятся гораздо более простыми, беспроводные сети можно использовать и в традиционных областях применения кабельных связей, когда стоимость кабеля и монтажа оказывается выше, чем установка беспроводной системы.

л) Беспроводные сети делятся на следующие классы:

м) сотовые сети WWAN (Wireless Wide Area Network);

н) беспроводные LAN (WLAN — Wireless LAN);

о) беспроводные сети датчиков.

В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили три типа беспроводных сетей: Bluetooth на основе стандарта IEEE 802.15.1, ZigBee на основе IEEE 802.15.4 и Wi-Fi на основе IEEE 802.11 [8, 9]. Физические уровни модели OSI для этих сетей основаны на соответствующих стандартах IEEE, а протоколы верхних уровней разработаны и поддерживаются организациями Bluetooth, ZigBee и Wi-Fi соответственно. Поэтому в названии сетей обычно указывают ссылки на стандарт. Все три сети используют нелицензируемый ISM (Industrial, Scientific, and Medical) диапазон 2,4 ГГц В табл. 9 сведены основные параметры трех рассмотренных беспроводных технологий. В таблице отсутствуют данные о стандартах WiMAX, EDGE, UWB и многих других, которые не нашли широкого применения в промышленной автоматизации.

Таблица 9-Сравнение трех ведущих беспроводных технологий

5. Сетевое оборудование

При проектировании распределенных АСУ ТП с применением промышленных сетей могут возникать следующие проблемы:

а) требуемая длина отводов от общей шины (например, для сетей на основе интерфейса RS-485) превышает допустимую;

б) предельно допустимая длина линии связи меньше необходимой;

в) необходимое количество подключенных к сети устройств превышает допустимое по спецификации на используемое оборудование;

г) к сети необходимо подключить устройство, не имеющее соответствующего порта (например, вольтметр с портом RS-232 к сети на основе интерфейса RS-485 или Ethernet);

д) необходимо объединить несколько различных сетей с различными протоколами в единую сеть (например, когда требуется объединить Ethernet с CAN и Modbus RTU);

е) не удается ослабить влияние помех до допустимого уровня, используя медный кабель;

ж) фрагмент сети установлен на подвижном объекте.

Эти и аналогичные проблемы решаются с помощью вспомогательных сетевых устройств: повторителей и преобразователей интерфейса, концентраторов, коммутаторов, мостов, маршрутизаторов, шлюзов.